Innovativer Laserlichtschnittsensor im Smart-Kamera-Outfit

3D-Objektvermessung jetzt auch im Stillstand

Pepperl+Fuchs: Die Miniaturisierung beschert uns immer leistungsfähigere, kompaktere und intelligentere Sensoren. So können Konstrukteure sowohl bei neuen Maschinen als auch bei Anlagenmodernisierungen von fortschrittlichen Methoden profitieren, ohne die Notwendigkeit sich mit den dahinterstehenden, teilweise recht komplexen Technologien zu beschäftigen. Dass der Fortschritt auch nicht vor Lichtschnittsensoren Halt macht, zeigt jetzt die Produktstudie des weltweit ersten Mehrlinien-Laserlichtschnittsensors in Gestalt einer Smart-Kamera.

Das Lichtschnitt-Verfahren ist in Industrie und Wissenschaft schon seit langem etabliert, um Konturen oder Objekte hochgenau zwei- bzw. dreidimensional zu erfassen. Neben großen diskret aufgebauten Systemen, bestehend aus Lichtquelle, Kamera und PC-basierter Auswerteeinheit, sind seit geraumer Zeit auf dem Markt der Automatisierungskomponenten auch kompakte industrietaugliche Laserlichtschnittsensoren erhältlich. Sie erlauben bei ruhenden Objekten das Erstellen zweidimensionaler Schnitte bzw. Konturen in der x- und z-Projektionsebene. Um Objekte dreidimensional zu erfassen und zu vermessen, sind sie stets auf eine Bewegung des Objekts in y-Richtung angewiesen, z. B. indem es sich auf einem Fließband befindet. In zahlreichen Applikationen ist das aber keineswegs der Fall, unter anderem seit beim Objekthandling vielfach Roboter zum Einsatz kommen.

Jetzt klappt‘s auch ohne Bewegung

Mit dem Mehrlinien-Laserlichtschnittsensor LineRunner400 (LR400) zeigt Pepperl+Fuchs in einer Produktstudie, dass die technologischen Möglichkeiten von Laserlichtschnittsensoren in Verbindung mit dem Triangulationsverfahren bisher nicht ausgereizt worden sind. Als erster Laserlichtschnittsensor weltweit vereint das Gerät statt nur eines Laserprojektors mehrere Laserprojektoren in einem Gerät und ist so in der Lage, auch stillstehende Objekte dreidimensional zu vermessen. Nach wie vor beherrscht der LR400 selbstverständlich auch Objekterfassungen in Bewegung. Während das Gerät in x- und z-Richtung die gewohnt hohen Auflösungen des Laserlichtschnitt-Verfahrens liefert, ist man in der y-Richtung auf eine diskrete Auflösung in Abhängigkeit der Laserstrahlenanzahl begrenzt. Bei 3D-Messungen in Bewegung ist die Auflösung in y-Richtung naturgemäß von der Vorschubgeschwindigkeit abhängig.

Bemerkenswert ist weiterhin die Präsentation der Produktstudie im Outfit einer Smart-Kamera. Alle notwendigen Systemkomponenten wie Laserprojektoren, CMOS-Sensor samt Linsensystem sowie die Auswerteeinheit sind in einem einzigen kompakten Gehäuse untergebracht. Das verspricht eine unkomplizierte Handhabung und denkbar einfache Integration in Maschinen und Anlagen. Man braucht keinen separaten PC und hat es nur mit einem geringstmöglichen Anschluss- und Verkabelungsaufwand zu tun. Eine fortschrittliche Benutzerführung beim Parametrieren und Bedienen rundet das innovative Konzept der Produktstudie ab.

Freiraum für kundenspezifische Ausstattungsmerkmale

Die technischen Daten konkreter LR400-Produktrealisierungen will Pepperl+Fuchs eng mit Kunden abstimmen und optimal auf das jeweilige Einsatzgebiet ausrichten. Insbesondere die freie Aktivierung jeder einzelnen Laserlinie in beliebiger Reihenfolge erlaubt hier eine Umsetzung verschiedener Messstrategien, um Messzeiten zu reduzieren, spezielle Aufgaben ideal zu lösen usw. Ob man die Projektionslinien nacheinander einzeln in bestimmter Richtung aktiviert oder mehrere parallel, z. B. von außen nach innen, lässt sich völlig frei festlegen. Da außerdem die Größe der detektierbaren Objekte im Stillstand in unmittelbarem Zusammenhang mit der physikalischen Ausdehnung des Sensors bzw. der Anzahl und Dichte der Projektionsstrahlen steht, ist man auch hier offen für die Wünsche der Anwender. Die aktuelle Produktstudie liefert im Stillstand ein Erfassungsfeld von 60 mm Länge (y-Richtung) und 30 mm Breite (x-Richtung). Der Messabstand liegt bei circa 120 mm.

Prinzipiell garantiert das Laserlichtschnitt-Verfahren robuste Messungen auch unter ungünstigen Randbedingungen. Es funktioniert zuverlässig bei beliebigen Objekt- und Hintergrundfarben und ist sehr unempfindlich gegenüber Fremdlicht. Der LR400 erfüllt die Laserschutzklasse 1 und erfordert somit keine aufwändigen und teuren Schutzmaßnahmen.

Fazit

Der LR400 erlaubt die hochgenaue 3D-Vermessung von Objekten sowohl im Stillstand als auch in Bewegung. Die durch die Aktivierung der einzelnen Laserlichtschnitte entstehenden Höhenprofile ergeben zusammen ein 3D-Bild. Das Mehrlinien-Laserlichtschnitt-Verfahren ist somit eine raffinierte Weiterentwicklung des herkömmlichen Laserlichtschnittsensors und eröffnet Konstrukteuren in Bereichen wie Montage, Fertigung, Verpackung und Logistik neue Lösungsstrategien. Zu den typischen Anwendungen des Sensors im Smart-Kamera-Outfits zählen Anwesenheitskontrollen, 3D-Form- und Volumenmessungen, Lage- und Höhenkontrollen, Toleranzkontrollen und vieles mehr.

Laserlichtschnitt-Verfahren
Beim Laserlichtschnitt-Verfahren projiziert man mit Hilfe einer Laserlichtquelle unter einem bekannten Winkel eine Linie auf das zu bestimmende Objekt und erfasst das vom Objekt reflektierte Licht von einem zweiten abweichenden Standpunkt mittels eines geeigneten CCD- oder CMOS-Bildsensors. Beleuchtung, Sensorelement und der jeweils beobachtete Punkt bilden ein Dreieck, weshalb man vom Triangulationsverfahren spricht. Da man einerseits den Abstand zwischen der Laserquelle und der Beobachtungseinheit kennt sowie andererseits den Winkel der Laserstrahlrichtung und die Ausrichtung des Sensors, lässt sich die Distanz zum beobachteten Punkt bzw. dessen Lage zu einem Bezugspunkt geometrisch bestimmen. Das Lichtschnitt-Verfahren ermöglicht so aus einem einzigen Kamerabild die Berechnung der Distanzinformationen zu allen beleuchteten Punkten der Projektionslinie. Der Laserstrahl sorgt für hohen Kontrast und eine scharfe Abbildung der Konturen auch unter Fremdlichteinfluss und ungünstigen Farbgebungen.